Ispitivanje ultrazvukom

UNIVERZITET U ZENICIMAŠINSKI FAKULTET U ZENICIKatedra za automatizaciju i metrologiju

Student: Profesor: Salkanović Dino doc.dr. Samir Lemeš

2

Uvod

• Ispitivanje ultrazvukom se primjenjuje od četrdesetih godina i do danas su razvijene mnoge tehnike primjene

• Ispitivanje ultrazvukom se bazira na činjenici da su čvrsti materijali dobri vodiči zvučnih talasa

• Na granicama čvrstih materijala dolazi do odbijanja zvučnih talasa i ta pojava je iskorištena za ispitivanje volumena materijala.

3

Ultrazvuk

• Ultrazvuk je pojava oscilacija gustoće čije su učestanosti toliko visoke da ih čulo sluha čovjeka više ne može osjetiti.

4

• Ultrazvuk se može proizvesti mehaničkim putem, ali najčešći i efikasniji način je elektromehaničko stvaranje ultrazvuka odgovarajućim pretvaračima

• Oni najčešće rade na magnetostrikcijskom ili piezoelektričkom principu, i napajani su iz odgovarajućih elektroničkih generatora

5

• Magnetostrikcija je pojava da neki materijali (npr.meko željezo) u prisustvu promjenljivog magnetnog polja mijenjaju dimenzije.

• Piezoelektrični efekat se zasniva na činjenici da izvjesni kristali (npr. kvarc) se dimenziono mijenjaju kada električna struja protiče kroz njih

6

Rasprostiranje ultrazvuka

• Longitudinalni i transverzalni talasi se najčešće koriste pri ultrazvučnom ispitivanju materijala

• Brzine širenja zvučnih talasa se bitno razlikuju u različitim materijalima.

• Brzina širenja talasa zavisi o osobinama materijala i temperaturi

7

Materijal Brzina longitudinalnih talasa [m/s] Brzina transferzalnih talasa [m/s]

Aluminijum 6320 3130Željezo 5900 3230Bakar 4730 2300Nikel 5864 3219

Kvarzno staklo 5570 3520PMMA 2730 1430

Voda 1481 -Zrak 330 -

Longitudinalni talasi -smjer prostiraja duž smjera vibracija

Transferzalni talasi -smjer prostiraja okomito smjeru vibracija

8

Akustična impedancija• Akustična impedancija definira se kao produkt gustoće materije i brzine

rasprostiranja ultrazvuka

• Akustična impedancija važna je pri: 1.određivanju akustične transmisije i refleksije na granici dvaju materijala

različitih akustičnih impedancija

2. konstrukciji ultrazvučnih pretvornika (sondi)

3. procjeni apsorbcije zvuka unutar medija

9

Zakon refleksije• Zbog različitih akustičkih impedancija materijala dio energije se reflektira

na granici dva materijala, a dio prenosi u drugi materijal.

• Intenzitet reflektiranog talasa računa se prema izrazu:

Ir- intenzitet reflektiranog talasa [W/m2]Ii- intenzitet upadnog talasa [W/m2]Z1- akustička impedancija materijala upadnog talasa [kg/m2 s]Z2- akustička impedancija materijala prenesenog talasa [kg/m2 s]

10

Zakon refrakcije

• Ultrazvučni talasi se lome pri prijelazu iz jednog sredstva u drugo

• Pri tome vrijedi:

11

Zakon transmisijePri prijelazu ultrazvuka iz jednog materijala u drugi dolazi do djelomične refleksije ultrazvuka ako mediji nisu jednake impedancije, a dio će se ultrazvučne energije prenijeti u drugi materijal

Zakon apsorcijeApsorpcija ultrazvuka je proces u kojem ultrazvuk slabi pri prolasku kroz neko sredstvo. Prilikom apsorpcije veći se dio energije pretvara u toplinu tj. zvuk se u nekom materijalu apsorbira tako da se pretvori u drugi oblik energije i onda u toplinu

12

Ultrazvučna metoda za ispitivanje materijala

• Ultrazvučna metoda ima široku primjenu. Koristi se za detekciju (procjenu) pukotina unutar materijala, ispitivanje zavarenog spoja, mjerenje dimenzija, karakterizaciju materijala itd

13

U svrhu ultrazvučne kontrole (ispitivanja) koriste se dvije metode:

• metoda “puls-eho“ - temelji se na mjerenju reflektiranih talasa i vremena između slanja i primanja signala

• metoda transmisije (prozvučavanja) - temelji se na mjerenju slabljenja signala (UZ talasa)

14

Princip rada ultrazvučne metode• Za pulse-echo metodu potreban je uređaj koji

generiše impulse (ultrazvučne talase) i prima reflektirane impulse (eng. pulser/receiver), pretvornik (eng. transducer) i uređaj za prikaz odziva

15

• Kada signal dođe do neke vrste diskontinuiteta (npr.pukotine, ili granice materijala različitih akustičkih impedancija) dio energije signala će se reflektirati natrag od površine (npr. pukotine ili drugog materijala.)

• Reflektirani ultrazvučni signal se zatim pretvara u električni signal i šalje na obradu i na uređaj za prikaz odziva.

• Za utrazvučne pretvornike koriste se materijali koji imaju piezoelektrička svojstva

16

Sonda sa sistemom za očitavanje

Ispitivanje uzorka sa i bez greške

17

• Ultrazvučne glave moraju biti u bliskom kontaktu sa površinom uzorka, u protivnom će se pojaviti lažni eho

• Kontakt se ostvaruje stavljanjem uljnog filma između ultrazvučne glave i površine uzorka, tako da između ne postoji vazdušni međuprostor.

18

• Upotreba jedne ultrazvučne glave za emitovanje i prijem će otkriti većinu slučajno orijentisanih grešaka, međutim mogu se propustiti tanke i duge greške čija je osa paralelna sa putem ultrazvučnog talasa

19

• Da bi se prevazišao ovaj problem koristi se složenija tehnika sa odvojenim ultrazvučnim glavama za emitovanje i prijem

20

Načini prikaza primljenog signala• Dobiveni rezultati ultrazvučnog testiranja mogu se

prikazati na nekoliko načina u ovisnosti o informacijama koje želimo prikupiti prilikom testiranja.

• Zbog toga postoji nekoliko prikaza:A-prikazB-prikazC-prikazD-prikazP-prikaz

A- prikaz je grafički prikaz koji se zasniva se na analizi amplitude primljenog signala

Kod A-prikaza amplituda reflektiranog signala je funkcija dubine i razlike u impendancijama

Koristiti se npr. za ispitivanje zavarenih spojeva feritnih i neferitnih materijala na tlačnim spremnicima, cjevovodima, rezervoarima, mostovima itd.

22

B- prikaz je dvodimenzionalni grafički prikaz u pravouglom kordinatnom sistemu, gdje je vrijeme putovanja ultrazvučnih impulsa prikazano kao pomak duž jedne osi (x-osi), a kretanje pretvornika (sonde) je prikazano kao pomak duž druge osi (y-osi).

23

C-prikaz je dvodimenzionalni grafički prikaz, u kojem su diskontinuiteti u testnom uzorku prikazani u pogledu odozdgo na gornju površinu testnog uzorka

Koristi se najčešće za detektiranje grešaka nastalih u proizvodnji, pri eksploataciji proizvoda i otkrivanje grešaka u osnovnom materijalu.

24

D-prikaz je dvodimenzionalni grafički prikaz sličan C-prikazu, ali daje i informaciju o dubini na kojoj se nalazi diskontinuitet

P–prikaz prikazuje geometriju diskontinuiteta u materijalu u tri dimenzije.

25

P–prikaz je projekcija rezultata B-prikaza koja je izvedena u pogledu odozgo na testni uzorak, na bilo koju stranu testnog uzorka

26

Prednosti i nedostaci ultrazvučne metode

• Prednosti ultrazvučne metode su :

• velika preciznost u određivanju lokacije objekta refleksije i procjeni veličine objekta

• velika preciznost otkrivanja orijentacije i oblika diskontinuiteta• detaljnost prikaza (P-prikaz)• relativno lahka obrada signala dobivenih od prijemnika (eng.

receiver)• elektronička oprema pruža trenutno dobivanje rezultata

testiranja• prenosivost opreme za testiranje

27

• Nedostaci ultrazvučne metode su:

• osjetljivost na nečistoće (npr. u cijevi)• teškoće pri ispitivanju materijala koji imaju grubu i

nepristupačnu površinu• teškoće pri ispitivanju materijala koji su vrlo tanki, maleni i

nepravilnog oblika• teškoće pri ispitivanju nehomogenih materijala• potreban je fluid (eng. couplant) za prijenos energije zvuka u

testni uzorak• potreba za etalonima i referentnim uzorcima pri kalibraciji

ultrazvučne opreme i provjere karakteristika opreme

28

Uređaji za ultrazvučnu kontrolu

29

Uređaj za ultrazvučnu kontrolu (lijevo) i određivanje grešaka ultrazvučnom metodom (desno)